Глава 12

ТРАНСАКТИНОИДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Трансактиноидные элементы характеризуются заполнением электронами 6d- и 7s-уровней атома. К ним относятся элементы, начиная со 104-го и кончая 118-м. Наиболее вероятные электронные структуры этих элементов и их химические аналоги представлены в тябл. 10

Т а б л и ц а  10. Вероятные электронные структуры атомов трансактиноидных элементов
Атомный номер	Электронная структура	Химический аналог
104	5f146d27s2	Hf
105	5f146d37s2	Ta
....
112	5f146d107s2	Hg
113	5f146d107s27p1	Tl
....
118	5f146d107s27p6	Rn

§ 1. История открытия

В настоящее время синтезированы элементы с зарядом ядра от 104-го до 107-го включительно. Работы по синтезу этих элементов проводились в основном в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, СССР) и в радиационной лаборатории Лоуренса (г. Беркли, США). Основные данные об открытии элементов 104—107 представлены в табл. 11.

§ 2 Методы получения и идентификации

Основным метолом получения важнейших изотопов 104—106-го элементов является облучение актиноидов (Pu, Am, Bk, Cm, Cf) ускоренными тяжелыми ионами углерода, кислорода и неона:

     ²⁴²Pu (²²Ne, 5n) ²⁵⁹Ku

Т а б л и ц а  11. Хронология открытия элементов 104 - 107
Элемент	Первый открытый изотоп	Авторы и год открытия	Реакция получения
104	259, 260Ku  257, 259Rd	Группа советских ученых    под руководством    Г.Н.Флерова, 1964  Группа американских уче-    ных под руководством    А.Гиорсо, 1969	24294Pu (2210Ne, 4n; 5n) 260Ku259Ku 24998Cf (12, 136C, 4n, 3n) 257104259104
105	260, 261105  256105	Группа советских ученых    под руководством    Г.Н.Флерова, 1968  Группа американских уче-    ных под руководством    А.Гиорсо, 1970	24395Am (2210Ne, 4n) 261105 24998Cf (157N, 3n)260105
106	259106	Группа советских ученых    во главе с Ю.Ц.Ога-    несяном, 1974	20882Pb (5424Cr, 3n)259106
107	261107	Группа советских ученых    во главе с Ю.Ц.Ога-    несяном, 1976	20983Bi (5424Cr, 2n) 261107

     ²⁴²Cm (¹⁸O, 5n) ²⁶¹Ku

     ⁸⁴⁹Bk (¹⁸O, 5n) ²⁶²105

     ²⁴⁹Cf (¹⁸O, 4n) ²⁶³106

     Сечения активации этих реакций очень малы и резко уменьшаются с возрастанием атомного номера образующегося составного ядра. Более благоприятным с этой точки зрения является использование в качестве материала мишени ядер свинца и висмута, а в качестве бомбардирующих частиц — ионов хрома и более тяжелых элементов. Относительно высокая энергия связи нуклонов в ядрах свинца и висмута, имеющих магическое число нуклонов, в сочетании с большой массой бомбардирующей частицы обусловливает увеличение относительной вероятности процесса образования новых ядер. Использование такой комбинации позволило получить элементы с порядковыми номерами 106 и 107:

     ^{207, 208}Pb (⁵⁴Cr, 2-3n) ²⁵⁹106

     ²⁰⁹Bi (⁵⁴Cr, 2n) ²⁶¹107

Отправным моментом при получении еще более тяжелых элементов является гипотеза о существовании островов стабильности, предложенная еще в 1925 г. немецким ученым Р.Свинне. Сущность этой гипотезы заключается в том, что элементы, ядра которых содержат магическое число нейтронов и протонов, соответствующее заполненным нейтронным или протонным оболочкам, должны обладать повышенной устойчивостью к -распаду и спонтанному делению. Гипотеза о существовании островов стабильности инициировала многочисленные теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования направлены на оценку электронной структуры атомов сверхтяжелых элементов и предсказание на основании периодического закона их физических и химических свойств. Так, у элементов 104—112 должно происходить заполнение 6d-подуровня по аналогии с элементами Hf—Hg. Элементы 113—118, у которых должен заполняться 7p-подуровень, должны являться гомологами 7p-элементов от таллия до радона. В основе методов химической идентификации при синтезе и поиске в природе сверхтяжелых элементов должно лежать прогнозирование химических свойств на основании ожидаемого их положения в периодической системе элементов. Например, предполагается, что элементы с порядковыми номерами Z = 112—118 должны быть относительно более летучими, чем элементы с Z = 80—86 (от ртути до радона). Поэтому для отделения элементов 112—118 от актиноидов и поиска их среди продуктов ядерных реакций целесообразно использовать метод возгонки.

     Экспериментальные исследования включают попытки искусственного получения короткоживущих изотопов сверхтяжелых элементов, особенно в области Z = 110—114, и поиск наиболее устойчивых изотопов этих элементов на Земле и в космосе.

     Эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов ведутся с конца 60-х годов XX в. по двум направлениям. Первое — это традиционный метод, основанный на слиянии тяжелых ядер с образованием составного ядра. При этом в качестве вещества мишени используются Pu, Am, Cm, Bk, Cf, а в качестве бомбардирующих частиц — ²⁰Са, ²⁶Cr и ³⁰Zn. Например, элемент с Z = 114 может быть получен по следующей реакции:

     ²⁴⁷₉₄Pu (⁴⁵₂₀Ca, xn) ^292-x114

     Недостатком этого метода синтеза является образование очень неустойчивых изотопов с большим дефицитом нейтронов. С другой стороны, этим методом принципиально могут быть получены ядра с магическим числом нейтронов N = 184, но пои этом величина Z будет значительно больше, чем предполагаемое магическое число протонов Z = 110, например:

     ²⁴³₉₅Am (⁶⁶₃₀Zn, xn) ^309-x125

     Второе направление — это образование ядер сверхтяжелых элементов в качестве осколков при мгновенном делении гигантских составных ядер, возникающих, например, при слиянии ядер ²³⁸₉₂U + ²³⁸₉₂U или ²³⁸₉₂U + ¹³⁶₅₄Хе. Осколки деления обычно имеют большой избыток нейтронов и могут включать ядра с Z = 110—114 и N = 184.

     Параллельно с искусственным синтезом начались эксперименты по поиску сверхтяжелых элементов в природе и космосе. Так как Z и A, а следовательно, и химическая природа элементов, которые могли сохраниться со времени образования Земли, точно неизвестны, то поиск нацеливался на все элементы острова стабильности. При этом можно было предположить, что сверхтяжелые элементы в области Z = 106—116 могли быть первыми не сохранившимися до наших дней членами известных радиоактивных рядов.

     Детектирование сверхтяжелых элементов может осуществляться как по осколкам спонтанного деления, так и путем непосредственной регистрации -частиц с предполагаемыми значениями энергий. Наибольшее развитие получил метод поиска этих элементов по их спонтанному делению с помощью пропорциональных счетчиков спонтанного деления, а также детекторов нейтронов, испускаемых в процессе деления тяжелых ядер. Последний метод обладает большей чувствительностью, так как акты деления можно регистрировать при очень низком уровне фона.

     Объектом исследований по поиску сверхтяжелых элементов в природе являются океанические донные отложения, подземные воды, обогащенные тяжелыми элементами, метеориты. Поиск сверхтяжелых элементов в космосе связан с исследованием тяжелой компоненты первичного космического излучения. Для поиска сверхтяжелых элементов в космических лучах такими образцами могут служить метеориты, радиационный возраст которых составляет в среднем 10 млн лет. Минералы, входящие в состав метеоритов, являются прекрасными детекторами тяжелых ядерных частиц, в которых накапливается громадная информация о зарядовом спектре тяжелой компоненты космических лучей (1 г метеоритного материала эквивалентен тонне фотоэмульсии или полимерных пленочных материалов, выдержанных в течение года на околоземной орбите и применяемых в качестве детекторов сверхтяжелых частиц). В качестве таких объектов использовались, например, палласиты — железокаменные метеориты, содержащие 40—70% (по объему) оливинов — прозрачных однородных зерен размером 5—8 мм, являющихся детекторами сверхтяжелых элементов (длина следа осколка деления ядра сверхтяжелого элемента должна быть ~ 1,5мм, т. е. почти в 2 раза больше, чем осколков деления ядер урана).

     В проведенных экспериментах по синтезу и поиску в природе сверхтяжелых элементов наблюдались новые спонтанные излучатели. В частности, излучатель с периодом полураспада 150 дней наблюдался в продуктах реакции U + Хе. Однако полученные данные недостаточны для того, чтобы сделать однозначный вывод о синтезе нового сверхтяжелого элемента или нахождении его в природе.

     Методы идентификации сверхтяжелых элементов аналогичны рассмотренным выше для 102-го и 103-го элементов. В частности, химическая идентификация 104-го и 105-го элементов, проеденная методом фронтальной газовой хроматографии, позволила установить высокую летучесть их хлоридов. Это явилось свидетельством принадлежности данных элементов к IV и V группам периодической системы соответственно. Химическая идентификация 104-го элемента была проведена также методом ионообменной комплексообразовательной хроматографии с использованием самого долгоживущего изотопа ²⁶¹104 (Т = 70 с).

     Для химической идентификации 104-го и 105-го элеиентов использовался также метод газовой термохроматографии. В этом случае изучалось распределение летучих хлоридов или бромидов исследуемых элементов в колонке, имеющей определенный градиент температур. Перспективным является метод химической идентификации после предварительного разделения продуктов ядерных реакций в масс-сепараторе.

     Вместо адсорбции из газового потока химическую идентификацию можно осуществлять и непосредственно по изучению химических форм, образующихся при взаимодействии ядер отдачи с различными реагентами.

     Химическая идентификация 106-го и 107-го элементов, которые должны быть аналогами вольфрама и рения соответственно, может быть основана на образовании их летучих оксигалогенидов. Для элементов с Z = 113—117 (аналогов Tl—At) можно использовать различие температур кипения их метальных и этильных производных.